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1、南华大学黄智伟系列-放大器的精度和稳定性电路结构建议采用典型电路形式和厂商提供的电路，许多电路结构都是经过很多工程师们反复实验和验证过的。 采用OP 构成的放大器电路的精度主要与外部元器件参数有关，例如放大倍数与外接的电阻有关。解决放大器的稳定性就比较复杂了，涉及到放大器的电路结构、PCB布局、电源供给、以及放大器所在的系统环境等等、等等。一些建议如下：与分立器件相比，现代集成运算放大器（op amp）和仪表放大器（in-amp）为设计工程师带来了许多好处。虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。往往都是这样，由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题，从而导致电路不能实现预期功能或者可
2、能根本不工作放大器电路设计：如何避免常见问题。（1）最常遇到的一个应用问题是在交流（AC）耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流（DC）回路。在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压（VIN）的DC分量的简单方法。这在高增益应用中尤其有用，在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围，甚至导致输出饱和。然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。砂 worid. u 口 msOP AMP图1运算放大器AC耦合输入错误的连接形式(2) 在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一
3、个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。RC低通滤波器的典型值：R = 50Q 200Q， C = l/(2n R F)，按电路的-3 dB带宽设置C的取值。(3) 当从电源电压利用分压器为放大器提供参考电压时应保证PSR性能一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC产生的参考电压，例如ADR121，代替Vs分压。当设计带有仪表放大器和运算放大器的电路时，这方面的考虑很重要。电源电压抑制技术用来隔离放大器免受其电源电 压中的交流声、噪声和任何瞬态电压变化的影响。这是非常重要
4、的，因为许多实际电路都包含、连接着或存在于只能提 供非理想的电源电压的环境之中。另外电力线中的交流信号会反馈到电路中被放大，而且在适当的条件下会引起寄生振荡。现代的运算放大器和仪表放大器都提供频率相当低的电源电压抑制(PSR)能力作为其设计的一部分。这在大多数工程师看来是理所当然的。许多现代的运算放大器和仪表放大器的PSR指标在80lOOdB以上，可以将电源电压的变化影响衰减到1/10,0001/100,000。甚至最适度的40 dB PSR的放大器隔离对电源也可以起到1/100的抑制作用。不过，总是需要高频旁路电容并且经常起到重要作用。此外，当设计工程师采用简单的电源电压电阻分压器并且用一只
5、运算放大器缓冲器为仪表放大器提供参考电压时，电源 电压中的任何变化都会通过该电路不经衰减直接进入仪表放大器的输出级。因此，除非提供低通滤波器，否则IC通常 优良的 PSR 性能会丢失。(4) 当今的许多高速运算放大器都具有片上输入保护。高速运算放大器的输入保护有多种形式，其中共模过压保护、静电放电(ESD)保护、输入差分对保护是一些常见的保护。共模过压保护主要限制输入电压，使之符合放大器的安全工作电压范围；静电放电保护二极管是放大器避免静电、静电感应以及其他静电放电事件的影响。这些片上二极管都与放大器输入、输出以及电源轨相连，起到保护放大器的作用。在大多数情况下，这种保护对用户是透明的；但在某
6、些应用中，这种保护可能是电路的致命弱点。在极少数情况下，输入保护可能带来不希望的结果。例如，考虑一个断电但有信号输入的放大器。信号振幅在低于数百 毫伏以内时不会出现问题，但是如果信号振幅大于400 mV,就可能产生问题。由于输入信号较大，输入保护二极管(D1 与D2)将成为正向偏压的。输入和输出之间通过到负载的反馈电阻器形成信号路径，如图1.3.13所示。信号大小取决于输入信号的振幅与频率。5）运算放大器的接地点选择从有关的PCB设计资料的分析可知，在PCB上的两个接地点之间的电位可能不是完全相等的，如果一个运算放大器电路有一个以上的接地点，如信号源在A点接地，运算放大器在B点接地，A、B两点
7、之间的地电位差将耦合进入该电路。6）差分（或平衡输入）放大器可以用来降低共模噪声电压的影响.（7）采用屏蔽保护措施的运算放大器可以更大程度地减小噪声。在运算放大器的周围设置屏蔽保护，并维持在一个一 定的电位，可以防止电流流入不平衡的源阻抗。 对于高增益的前置放大器，为防止电磁干扰，通常采用金属屏蔽罩进 行屏蔽。（8）运算放大器的单电源工作与低压工作相同，将电源由土 15V或5V变为单5V或3V,缩小了可用信号范围。因此，其共模输入范围、输出电压摆幅、CMRR、噪声及其它对运算放大器的限制变得非常重要。在工程设计中，常常需要牺牲运算放大器在某方面的性能，以改善另一方面的性能.（9）满摆幅放大器的
8、共发射极电路除了具有低输入-输出压差外，其它参数也与射随器不同。共发射极电路提供电压增 益，输出阻抗相对较高；射随器则提供单位增益，输出阻抗较低。因此，满摆幅运算放大器通常提供一个输出节点，用 于补偿，而标准运算放大器的补偿电路一般位于前一级。对于满摆幅运算放大器，由此产生的增益受负载电流的影响， 使其驱动容性负载时不稳定。（10）正确的为单电源运算放大器电路提供退耦。单电源运算放大器电路需要偏置共模输入电压幅度以控制AC信号的正向摆幅和负向摆幅。当从电源电压利用分压器提供偏置电压时，为了保证PSR的性能就需要合适的退耦。11）为运算放大器的输入端设计 “接地环”或者“保护环”。“保护环”用来
9、防止杂散电流进入敏感的节点。其原理很简单，采用接地导线完全包围放大器敏感节点，使杂散电流远离敏感的节点。(12) 在单端输入差分输出放大器电路中，PCB的对称设计是重要的.(13) 与ADC连接的放大器必须考虑阻抗匹配、电荷注入、噪声抑制、输出精度和输出驱动能力等诸多因素。在一个模数混合的应用系统中，选择合适的运算放大器来驱动模数转换器(ADC)是至关重要的。设计时必须考虑放大器噪声、带宽、建立时间和转换速率等因素与ADC的信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)、输入阻抗和采样时间等参数的关系。(14) 在信号输入端和输出端增加滤波器电路。等等，等等措施。推荐两本书，供参考：黄智伟嵌入式系统中的模拟电路设计M.北京：电子工业出版社，2011.1黄智伟印制电路板(PCB)设计技术与实践M.北京：电子工业出版社，2009.4
